健康的海洋生态系统依赖于充足的氧气供应，当海水中氧气的消耗速度快于补充速度就会导致低氧。海水低氧是危害近岸海域生态系统健康和海洋经济的全球性问题，高强度人类活动正在使这一问题变得日益严重。中国科学院烟台海岸带研究所典型河口海湾海岛生态系统健康及调控研究组群、中科院牟平海岸带环境综合试验站以山东半岛北部养马岛附近海域为代表性研究区域，经过多年研究，在近海低氧形成机制及生态效应方面中取得了系列重要进展。研究团队相继在Environmental Research、Science of the Total Environment、Chemosphere等刊物发表论文6篇。
该海域是北黄海重要的筏架式扇贝养殖区和底播式海参养殖区，近年来该海域夏季底层水体溶解氧（DO）浓度过低现象频繁发生，造成了巨大经济损失，妨碍了当地海水养殖业的发展。研究团队聚焦于本海域日趋严重的低氧灾害问题，通过大量现场观测，并结合有针对性的实验室培养实验，探讨了季节性低氧的生消过程及其主要控制机制，评估了DO对生源要素碳、氮、磷、硅等地球化学循环过程的影响，揭示了低氧灾害的生态效应。
研究表明，水体层化和扇贝养殖活动的共同作用是导致养马岛附近海域底层水体夏季发生低氧灾害的重要因素；持续的高气温和低风速是造成该海域水体夏季出现层化的主导因素，扇贝养殖设施引起的水交换减缓则是水体分层和低氧发生的重要促进因素；温跃层厚度大于2.5 m、上边界深度在7.0 m以下的水体更易发生低氧；当底层水体的表观好氧量大于4 mg/L，即使没有跃层存在也能够发生低氧，说明层化虽然能够促进底层水体低氧的形成，但并非必不可少（图1）（Sun et al., ER 2023, 228: 115810）。温度是该海域海水中DO季节变化的主要驱动因素，夏季底层水体的DO下降速度约为表层水体的3~4倍，水体耗氧是DO支出的主要途径（图2）（Yang et al., MPB 2021, 173: 113092）。
扇贝养殖活动对底层水体夏季低氧形成的促进作用还体现在其对有机质迁移转化的影响。海湾扇贝的排泄作用将大量具有高分子量和低腐殖度特征的溶解有机质（DOM）释放到水柱中，改变了有机质的生物地球化学循环。海湾扇贝在一个养殖周期内（6月~11月）的排泄过程可使海水中溶解有机碳增加19.7 μmol/L，假设扇贝排泄的DOM中不稳定部分被完全耗氧分解，可使养马岛附近海域海水中DO和pH分别降低~13.4μmol/L和~0.018（Yang et al., STOTEN 2022, 807: 150989），使水体总碱度降低75.7 μmol/kg，从而加速低氧和海水酸化的进程（Yang et al., STOTEN 2021, 798: 149214）。
上覆水体中DO浓度会影响沉积物有机质的好氧和厌氧分解模式，从而主导营养盐和荧光溶解性有机质（FDOM）的释放。当上覆水体中DO > 50 μmol/L时，有利于沉积物中铵氮、硅和FDOM的释放；当上覆水体中DO < 100 μmol/L时，会加速沉积物中磷的释放（图3）（Yang et al., Chmosphere 2021, 273:129641）。在夏季，低氧通过有机质矿化和铁结合态磷（Fe-P）还原促进了沉积物中磷向上覆水中迁移；相比之下，秋季水体的富氧状态促进了沉积物中Fe/Mn氧化物与磷酸盐共沉淀形成Fe-P（图4）（Yang et al., STOTEN 2021, 759: 143486）。
上述论文为中国科学院战略性先导科技专项（A类）“‘美丽中国’生态文明科技工程专项”子课题“海洋生态环境灾害综合防控技术与示范”（XDA23050303）的研究成果之一，由我所孙西艳和杨波为第一作者，高学鲁和赵建民研究员为通讯作者。研究结果可为近海低氧灾害预警预报和环境保护措施制定提供科学支撑，有助于提升我国近海环境灾害的预警及应对能力，支持海洋经济可持续发展。
图1 养马岛附近海域水体层化和底层耗氧对海水DO的影响（α：温跃层强度；β：盐跃层强度；TT：温跃层厚度；TD：温跃层上边界深度；HT：盐跃层厚度；HD：盐跃层上边界深度；AOU：表观耗氧量）（Sun et al., ER 2023, 228: 115810）
图2 养马岛附近海域物理和生化过程对海水DO的影响（Yang et al., MPB 2021, 173: 113092）
图3 沉积物在好氧（DO > 100 μmol/L）、好氧-低氧（50 < DO < 100 μmol/L）和低氧（DO < 50 μmol/L）条件下，营养盐和有机质的释放（Yang et al., Chmosphere 2021, 273:129641）
图4 低氧与富氧条件下，沉积物中不同形态磷的收支（Yang et al., STOTEN 2021, 759: 143486）
相关论文详情：
1. Sun, X., Gao, X.*, Zhao, J.*, Xing, Q., Liu, Y., Xie, L., Wang, Y., Wang, B., Lv, J., 2023. Promoting effect of raft-raised scallop culture on the formation of coastal hypoxia. Environmental Research, 228: 115810.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0013935123006023
2. Yang, B., Gao, X.*, Zhao, J.*, Xie, L., Liu, Y., Lv, X., Xing, Q., 2022. The impacts of intensive scallop farming on dissolved organic matter in the coastal waters adjacent to the Yangma Island, North Yellow Sea. Science of The Total Environment, 807: 150989.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969721060678
3. Yang, B., Gao, X.*, Zhao, J.*, Liu, Y., Xie, L., Lv, X., Xing, Q., 2021. Summer deoxygenation in a bay scallop (Argopecten irradians) farming area: The decisive role of water temperature, stratification and beyond. Marine Pollution Bulletin, 173: 113092.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0025326X21011267
4. Yang, B., Gao, X.*, Zhao, J.*, Liu, Y., Lui, H.K., Huang, T.H., Chen, C.T.A., Xing, Q., 2021. Massive shellfish farming might accelerate coastal acidification: A case study on carbonate system dynamics in a bay scallop (Argopecten irradians) farming area, North Yellow Sea. Science of The Total Environment, 798: 149214.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S004896972104287X
5. Yang, B., Gao, X.*, Zhao, J.*, Liu, Y., Xie, L., Lv, X., Xing, Q., 2021. Potential linkage between sedimentary oxygen consumption and benthic flux of biogenic elements in a coastal scallop farming area, North Yellow Sea. Chemosphere, 273: 129641.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0045653521001107
6. Yang, B., Gao, X.*, Zhao, J., Liu, Y., Gao, T., Lui, H.K., Huang, T.H., Chen, C.T.A., Xing, Q., 2021. The influence of summer hypoxia on sedimentary phosphorus biogeochemistry in a coastal scallop farming area, North Yellow Sea. Science of The Total Environment, 759: 143486.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969720370170